生命體征技術(shù)：基于狀態(tài)的人體監(jiān)測

生命體征監(jiān)測已經(jīng)超越了醫(yī)療實(shí)踐的界限，進(jìn)入了我們?nèi)粘Ｉ畹脑S多領(lǐng)域。最初，生命體征監(jiān)測是在嚴(yán)格的醫(yī)療監(jiān)督下在醫(yī)院和診所進(jìn)行的。微電子技術(shù)的進(jìn)步降低了監(jiān)控系統(tǒng)的成本，使這些技術(shù)在遠(yuǎn)程醫(yī)療、體育、健身和健康、工作場所安全等領(lǐng)域以及越來越關(guān)注自動(dòng)駕駛的汽車市場更容易獲得和普及。盡管有這種擴(kuò)展，但考慮到這些應(yīng)用的健康相關(guān)性質(zhì)，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)仍然很高。

生命體征

監(jiān)測生命體征涉及測量一系列生理參數(shù)，這些參數(shù)可以指示個(gè)人的健康狀況。心率是最常見的參數(shù)之一，可以通過心電圖檢測到，心電圖測量心跳的頻率，最重要的是測量其變化。心率的變化往往基于活動(dòng)。在睡眠或休息期間，節(jié)律較慢，但在體力活動(dòng)、情緒反應(yīng)、壓力或焦慮后往往會增加。

心率超出正常范圍可能表明存在心動(dòng)過緩（心率過低時(shí)）或心動(dòng)過速（心率過高時(shí)）等疾病。呼吸是另一個(gè)關(guān)鍵的生命體征。血液的氧合水平可以使用稱為光電容積脈搏波（SpO）的技術(shù)進(jìn)行測量2).氧合不足可能與影響呼吸系統(tǒng)的疾病或紊亂的發(fā)作有關(guān)。其他可以提供一個(gè)人身體狀況指示的生命體征測量是血壓、體溫和皮膚電導(dǎo)反應(yīng)。皮膚電導(dǎo)反應(yīng)，也稱為皮膚電反應(yīng)，與交感神經(jīng)系統(tǒng)密切相關(guān)，而交感神經(jīng)系統(tǒng)又直接參與情緒行為的調(diào)節(jié)。測量皮膚電導(dǎo)率可指示患者的壓力、疲勞、精神狀態(tài)和情緒反應(yīng)。此外，測量身體成分、瘦體重和脂肪量的百分比以及水合作用和營養(yǎng)的程度可以清楚地表明一個(gè)人的臨床狀態(tài)。最后，測量運(yùn)動(dòng)和姿勢可以提供有關(guān)受試者活動(dòng)的有用信息。

測量生命體征的技術(shù)

為了監(jiān)測心率、呼吸、血壓和溫度、皮膚電導(dǎo)率和身體成分等生命體征，需要各種傳感器，解決方案必須緊湊、節(jié)能且可靠。生命體征監(jiān)測包括：

光學(xué)測量

生物電勢測量

阻抗測量

使用MEMS傳感器進(jìn)行測量

光學(xué)測量

光學(xué)測量超越了標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體技術(shù)。為了進(jìn)行這種類型的測量，需要一個(gè)光學(xué)測量工具箱。圖1顯示了用于光學(xué)測量的典型信號鏈。需要光源（通常是LED）來產(chǎn)生光信號，該信號可能由不同的波長組成。多個(gè)波長的組合可實(shí)現(xiàn)更高的測量精度。還需要一系列硅或鍺傳感器（光電二極管）將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，也稱為光電流。光電二極管必須以足夠的靈敏度和線性度響應(yīng)光源的波長。然后必須放大和轉(zhuǎn)換光電流，因此需要一個(gè)高性能、高能效的多通道模擬前端，該前端可以控制LED，放大和濾波模擬信號，并以必要的分辨率和精度執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖1.用于光學(xué)測量的信號鏈。

光學(xué)系統(tǒng)的封裝也起著至關(guān)重要的作用。該封裝不僅是一個(gè)容器，而且是一個(gè)具有一個(gè)或多個(gè)光學(xué)窗口的系統(tǒng)，可以過濾出射光和入射光，而不會過度衰減或反射，從而可能損害信號的完整性。光學(xué)系統(tǒng)封裝還必須容納多個(gè)器件，包括LED、光電二極管以及模擬和數(shù)字處理芯片，以創(chuàng)建緊湊的多芯片系統(tǒng)。最后，能夠創(chuàng)建濾光片的鍍膜技術(shù)對于選擇應(yīng)用所需的光譜部分并消除不需要的信號也至關(guān)重要。即使暴露在陽光下，應(yīng)用程序也必須正常運(yùn)行。如果沒有光學(xué)濾波器，信號的大小可能會使模擬鏈飽和，從而阻止電子設(shè)備正常工作。

ADI公司提供一系列光電二極管和各種模擬前端，能夠處理從光電二極管接收到的信號并控制LED。還提供完整的光學(xué)系統(tǒng)，將LED、光電二極管和前端集成到單個(gè)器件中，例如ADPD188GG。

生物電勢和生物阻抗測量

生物電勢是由我們體內(nèi)電化學(xué)活動(dòng)的影響產(chǎn)生的電信號。生物電位測量的例子包括心電圖 （ECG） 和腦電圖。它們檢測存在多個(gè)干擾源的頻帶中的非常低幅度的信號。因此，信號在處理之前必須被放大和濾波。ECG生物電位測量廣泛用于生命體征監(jiān)測，ADI公司為此提供了多種器件，包括AD8233、ADAS1000芯片系列和ADuCM3029。

AD8233專為可穿戴應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可與ADuCM3029（基于Cortex-M3技術(shù)的片上系統(tǒng)（SoC））結(jié)合使用，以創(chuàng)建完整的系統(tǒng)。此外，ADAS1000系列專為高端應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有低能耗的特點(diǎn)。它特別適用于電池供電的便攜式設(shè)備，并且在功率和噪聲方面具有可擴(kuò)展性（即，噪聲水平可以隨著功耗的成比例增加而降低），使其成為ECG系統(tǒng)的絕佳集成解決方案。?

生物阻抗是另一種測量方法，可以為我們提供有關(guān)我們身體狀態(tài)的有用信息。阻抗測量提供有關(guān)我們的皮膚電活動(dòng)、身體成分和水合作用狀態(tài)的信息。每個(gè)參數(shù)都需要不同的測量技術(shù)。每個(gè)電極所需的電極數(shù)量和施加電極的點(diǎn)可能隨著使用的頻率范圍而變化。

例如，在測量皮膚阻抗時(shí)使用低頻（高達(dá)200 Hz），而對于人體成分，通常使用50 kHz的固定頻率。同樣，使用不同的頻率來測量水合作用并正確評估細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外液。

雖然技術(shù)可能有所不同，但單個(gè)前端AD5940可用于所有生物阻抗和阻抗測量。該器件提供激勵(lì)信號和完整的阻抗測量鏈?？梢陨筛鞣N頻率以滿足多種測量要求。此外，AD5940設(shè)計(jì)用于與AD8233配合使用，以創(chuàng)建全面的生物阻抗和生物電位讀取系統(tǒng)，如圖2所示。其他阻抗測量器件包括ADuCM35x系列SoC解決方案，除專用模擬前端外，還提供Cortex-M3微控制器、存儲器、硬件加速器以及用于電化學(xué)傳感器和生物傳感器的通信外設(shè)。

圖2.具有生物電勢和生物阻抗測量功能的完整生物電系統(tǒng)。

使用MEMS傳感器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測量

由于MEMS傳感器可以檢測重力加速度，因此它們可用于檢測活動(dòng)和異常情況，例如步態(tài)不穩(wěn)，跌倒或腦震蕩，甚至可以監(jiān)測受試者靜止時(shí)的姿勢。此外，MEMS傳感器可用于補(bǔ)充光學(xué)傳感器，因?yàn)檫@些傳感器會受到運(yùn)動(dòng)偽影的影響;發(fā)生這種情況時(shí)，來自加速度計(jì)的信息可用于進(jìn)行校正。ADXL362是醫(yī)療領(lǐng)域最受歡迎的器件之一，是市場上能耗最低的3軸加速度計(jì)。它的特點(diǎn)是可編程測量范圍從2 g到8 g和一個(gè)數(shù)字輸出。

ADPD4000： 通用模擬前端

目前市場上的可穿戴設(shè)備，如智能手環(huán)和智能手表，具有各種監(jiān)測生命體征的功能。其中最常見的是心率監(jiān)測器、計(jì)步器和卡路里計(jì)數(shù)器。還經(jīng)常測量血壓和體溫，以及皮膚電活動(dòng)、血容量變化（通過光電容積描記法）和其他指標(biāo)。隨著監(jiān)控選項(xiàng)數(shù)量的增加，對高度集成的電子元件的需求也在增加。ADPD4000具有極其靈活的架構(gòu)，旨在幫助設(shè)計(jì)人員滿足這一需求。除了提供生物電勢和生物阻抗讀數(shù)外，它還可以管理光度前端、導(dǎo)頻 LED 和讀取光電二極管。ADPD4000配備用于補(bǔ)償?shù)?a href="http://wenjunhu.com/tags/溫度傳感器/" target="_blank">溫度傳感器和開關(guān)矩陣，可以導(dǎo)頻必要的輸出并采集單端或差分電壓信號的信號。輸出是可選的，可以是單端或差分，具體取決于ADPD4000所連接的ADC的輸入要求。該設(shè)備可以編程12個(gè)不同的時(shí)間帶，每個(gè)時(shí)間帶專用于處理特定的傳感器。圖3總結(jié)了ADPD4000在幾個(gè)典型應(yīng)用中的關(guān)鍵特性。

圖3.ADPD4000 用于光度、生物電勢、生物阻抗和溫度測量。

結(jié)論

隨著技術(shù)的進(jìn)步，生命體征監(jiān)測將在各個(gè)行業(yè)和我們的日常生活中變得越來越普遍。無論是用于治療還是預(yù)防，這種與健康相關(guān)的解決方案都需要可靠和強(qiáng)大的技術(shù)。在ADI公司致力于信號處理的豐富產(chǎn)品組合中，生命體征監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員將找到一系列解決方案來應(yīng)對他們面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷